LUENTO 5, LAIVAN OMAPAINON ARVIOINTI JA SEURANTA

Transkriptio

1 - 1 - LUENTO 5, LAIVAN OMAPAINON ARVIOINTI JA SEURANTA Luennon tavoite Tarkastella uudisrakennuksen omapainon ja sen painopisteen paikan arviointia. Esittää uudisrakennuksen omanpainon hallintaan liittyviä seikkoja. Erityisesti käsitellään varautumista reservien avulla mahdollisiin painomuutoksiin. Kuvataan eräitä tapauksia, joissa painon ja painopisteen seuranta on epäonnistunut. Sisältö - painolaskennan motiivit - omapainon ryhmittely - painolaskennan ja laivatyypin välinen riippuvuus - painolaskennan lajit - käytännön näkökohtia painolaskennasta - uudisrakennuksen painonhallinta - laivan kantavuuteen liittyviä käsitteitä, telakan ja tilaajan aiheuttamat painomuutokset - omapainon ja painopisteen reservi - esimerkkejä painomunauksista. Luennon jälkeen ymmärrät painolaskennan ja -seurannan sisällön ja sen merkityksen laivaprojektissa. Osaat määrittää laivan omapainon alkusuunnittelussa. Sinulla on käsitys omapainon ja kantavuuden rajapinnasta. Osaat varautua painon ja painopisteen muutoksiin. Osaat toimia oikein tilaajamuutoksissa. Ymmärrät mitä voi seurata kun painonhallinta epäonnistuu. Lähteet Schneekluth: Ship Design for Efficiency and Economy, App. A13 - A.16, Sivut INSKO, Laivan painolaskenta. 32, Priha, I., Tietokoneavusteinen painolaskentajärjestelmä. Diplomityö, TKK, Konetekniikanosasto 1983.

2 - 2 - PAINOLASKENNAN MOTIIVIT Painolaskenta kohdistuu laivan omapainoon ja sen painopisteen paikan arviointiin. Ne lasketaan etukäteen suunnittelun yhteydessä. Jos jälkikäteen todetaan, että on suoritettava painon tai painopisteen muutoksia niin niiden toteuttaminen on erittäin vaikeata ja kallista. Painolaskentavirheet ovat siis teknisesti ja taloudellisesti usein kohtalokkaita. Suomen meriteollisuuden valmistamat laivatyypit vaativat korkeatasoista painohallintaa. Laivojen painoarviot ovat kautta laivanrakennuksen historian usein epäonnistuneet. Tällöin luonto määrittää väärään eli liian suuren syväyksen. Lisäksi on muistettava, että laivan paino ja hinta liittyvät läheisesti toisiinsa. Laivaan liittyvä painohallinta on poikkeava verrattuna muihin kulkuneuvoihin nähden, koska autoissa ja lentokoneissa valmistetaan tehtaan omaan käyttöön prototyyppi, jonka paino voidaan punnita. Laiva rakennetaan suoraan suunnitelmien ja laskelmien perusteella ilman testausprototyyppiä. Talojen kohdalla tilanne on sellainen, että niiden paino voi olla melkein kuinka suuri tahansa. Painonhallintatekniikka (Weigth Engineering) muodostaa ammattialan laiva- ja lentotekniikassa, jossa tehtävänä on: - painon arviointi ja seuranta, - laskentamenetelmien kehittäminen, tuloksilla oltava tilastollista arvoa, - aktiivinen painonvähennys, joka yhä tärkeämpää tulevaisuudessa. Painonhallintatekniikan sisältämä teoria on yksinkertainen ja työn sisältö tyypillistä pitkäjänteistä management-toimintaa. Organisaatioiden ja niissä työskentelevien ihmisten asenteet hankaloittavat toimintaa: - korkeakouluinsinöörit eivät katso sen vastaavan koulutusta, - alemman koulutuksen saaneet eivät ymmärrä kokonaisuutta, - tuotantoinsinöörit katsovat turhaksi, - yritysjohto ei ymmärrä resurssitarpeita. Kuka kantaa vastuun? Vastaus: TKK:sta valmistuneet laivatekniikan diplomi-insinöörit. Laivan omapainon koostumus on laivatyypistä riippuvainen. Kuvassa 1 on annettu eri laivatyyppien uppouman koostumus. Tilalaivoille on tyypillistä, että kantavuuden osuus on pieni ja painolaivoilla vastaavasti suuri. Painolaskennan merkitys korostuu kun laivan kantavuuden ja uppouman välinen suhde pienenee, jolloin Normandin luku kasvaa. Tästä seuraa, että tilalaivat ovat painokriittisiä verrattuna painolaivoihin. Esimerkiksi nopeat laivat kuuluvat painokriittisten ryhmään. Kuvassa 2 on esitetty laivan uppouman jakautuma nopeuden funktiona. Havaitaan, että kantavuuden suhde uppoumaan pienenee 60 % aina 20 % nopeuden kasvaessa 15 solmusta 35 solmuun. Omapainon arviointia vaikeuttaa myös omapainon koostumus. Esimerkiksi matkustajalaivoissa sisustusvarustuksen osuus omapainosta on suuri. Sisustusvarustuksen koostumus on erittäin monimutkainen ja hallinta vaatii moduuli- ja CAD- tekniikan hyödyntämistä.

3 % runko varustelu sisustus koneisto dw 50 % 0 itäm. JM Rist. alus pieni tankkeri ro-ro Kuva 1. Eri tyyppisten laivojen uppouman koostumus. [%] v [solmua] W(LS) W (lasti) W (polttoaine) Kuva 2. Laivan uppouman koostumus laivan nopeuden funktiona, kun laivan suoritusarvot säilyvät ennallaan. Laivasuunnittelijan perustehtävänä on varmistua laivan painoyhtälön toteutumisesta halutulla syväyksellä, joka vaatii oikean arvion laivan omapainosta W LS. Lisäksi yhtä merkityksellinen on painon painopisteen oikea korkeus KG. Painopisteen pitkittäisen paikan LCG ja joissakin tapauksessa myös poikittaisen paikan määrittäminen on myös tarpeen.

4 - 4 - Omapainon osien jakoperusteet on oltava samat laivasta toiseen. Tällöin tuloksilla on tilastollista merkitystä. Seuraavassa on esitetty laivan karkea omapainon ryhmittely: - runko- ja kansirakenteet, osuus omapainosta %, - konevarusteet, osuus omapainosta % sisältää kuljetuskoneiston ja siihen liittyvän varustuksen, sähkön- ja lämmöntuottolaitteet sekä LVI-laitteet, - kansivarusteet, osuus omapainosta 5-20 % sisältää lastinkäsittelylaitteet, ankkurointi ja kiinnitysvarusteet, - sisustusvarusteet, osuus omapainosta lastilaivoilla 2-3%, matkustajalaivoilla % sisältää: asunto- ja yleiset tilat, keittiöt ja varastotilat. PAINOLASKELMAT Uudisrakennuksen painolaskelmat ovat suuritöiset ja nähtävä pitkäjänteisenä osana laivan suunnittelu- ja rakentamisprosessia eikä yksittäistoimenpiteenä. Painoja on laskettava ennen kuin laiva on valmiiksi suunniteltu. Painolaskennan tarkkuutta lisätään suunnittelun edistyessä. Ajallisesti voidaan painolaskelmat jaotella seuraavasti: - esilaskenta päättyy laivasopimukseen, - seurantalaskelmat rakentamisvaiheessa, - lopulliset, viralliset laskelmat laivan luovutuksessa, - jälkilaskenta, jossa selvitetään laivan painomuutokset, voivat kestää useita vuosia ja - tilastointi sellaisessa muodossa, että tietoja voidaan uusissa projekteissa hyödyntää. Kuvassa 3 on esitetty kaavion avulla uudisrakennuksen painolaskelmien ajalliset vaiheet. Telakalla laivan todellinen paino ja painopisteen paikka todetaan kallistuskokeen yhteydessä. Laivan kallistuskoe suoritetaan telakalla ennen merikokeita. Kallistuskokeessa laivan kantavuus W DW on noin nolla. Koe suoritetaan siten, että siirretään painoa w laivan laidalta toiselle, myös painolastitankkien avulla voidaan operoida ja mitataan kallistuskulmat φ SB ja φ BB, katso Kuva 4. Painon aiheuttama kallistuma tulee olla alle viisi astetta.

5 - 5 - alustava yleiskuva erittely esilaskelma painotilastot tiedot päämittoja varten muutostiedot valmistuneet piirustukset välikalkyylit painonseurantaa varten työpiirustukset lopullinen erittely punnitustulokset muutostrendit virallisen kantavuus ja vakavuus viralliset laskelmat jälkilaskenta kallistuskoe loppuanalyysi Kuva 3. Uudisrakennuksen omapainon laskennan eri vaiheet. d M G w φ B K Kuva 4. Laivan kallistuskoe.

6 - 6 - Kallistuskokeen tuloksena saadaan laivan omapaino W LS kun luetaan laivan keula- ja peräsyväykset ja käyrälehdestä saadaan sitä vastaava uppouman tilavuus, joka on yhtä kuin laivan omapaino W LS = Δ = ρ g. (1) Alkuvaihtokeskuskorkeus GM saadaan laskettua seuraavasta lausekkeesta: GM = wd Δ(tanφ SB + tanφ BB ). (2) Omanpainon painopisteen korkeus kölipisteestä KG saadaan KG = KM GM, (3) jossa alkuvaihtokeskuksen M etäisyys kölipisteestä K saadaan käyrälehdestä. PAINOLASKENNAN LAJIT Laskenta ajan perusteella voidaan erottaa kolme tarkkuustasoa - pika-arvio, - alustava painolaskelma ja - yksityiskohtainen painolaskelma. Pika-arvio Pika-arvio perustuu tilastojen pohjalta laadittuihin karkeisiin 'nyrkkikaavoihin'. Niissä perustuen laivatilastoihin haetaan painoryhmän W i ja siihen vaikuttavan laivamuuttujan x välinen yhteys. Yleisesti käytetään potenssimuotoista yhtälöä W i = C i x a, (4) jossa C ja a ovat vakioita ja määräytyvät painotilastojen perusteella. Olettamalla, että laivan omapaino voidaan jakaa neljään painoryhmään ja että vakio b saa arvon yksi niin saadaan - rungonpaino: W ST = C ST LBH

7 koneistonpaino: W M = C M P B - varustelupaino: W out = C out LBH - sisustuspaino: W INT = C INT A INT. LBH-tulon sijaan voidaan muuttujana käyttää myös laivan kokonaistilavuutta V, koska sen numeroarvo saadaan bruttovetoisuudesta GT, joka on yleisesti tiedossa rakennetuille laivoille. Laivan kokonaistilavuuden V ja bruttovetoisuuden välille voidaan saada seuraava regressioyhtälö: V = 3,1741GT Pika-arvion ajantarve on alle yhden tunnin. Tulos on luotettava vain samantyyppiselle ja kokoiselle laivalle eli laivalle, jonka rakenne on tilastoaineiston kaltainen. Schneekluthin kirjassa liitteissä A.13 A16 ss on esitetty yhteenveto painolaskennan pikamenetelmistä. Esimerkkinä pika-arviosta olkoon Harvaldin menetelmä laivan runkopainon arvioimiseksi (Prads 92). Siinä teräspaino W ST annetaan rungon laatikkotilavuuden K ja runkopainon tilavuuskertoimen C H tulona W H = C H K. (5) Tilavuuskertoimen C H lauseke on C H ( Δ) = C HO + 0,064 exp 0,5lg Δ Δ 0,llg2,45 100, (6) jossa kertoimen C HO arvot eri laivatyypeille on annettu Taulukossa 1. Laatikkotilavuuden K lausekkeet eri laivatyypeille ovat seuraavat: - yleislasti- ja irtolastilaivat: K 100 [m3 ] = 5,62( Δ 100 )0,833 K - tankkerit: 100 [m3 ] = 3,16( Δ 100 )0,915 (7) K - junalautat: 100 [m3 ] = 3,39( Δ 100 )1,12.

8 - 8 - Taulukko 1. Kertoimen C HO arvot eri laivatyypeille laivatyyppi kerroin CH0 [ton/m3] yleislastilaiva, 3 kantta 0,0820 yleislastilaiva, 2 kantta 0,0760 yleislastilaiva, 1 kansi 0,0700 tankkeri 0,0752 irtolastilaiva 0,0609 matkustajalaiva 0,0580 junalautta 0,0232 Alustavassa painoarvio Alustavassa painoarviossa omapainon kukin pääryhmä jaetaan pienempiin osiin ja haetaan muuttujat, jotka korreloivat kyseisen painoryhmän kanssa. Rungon paino Rungon paino osalta voidaan käyttää seuraavaa jakoa: - perälaiva = C 211 x LBH - keulalaiva = C 212 x LBH - kaksoispohja = C 213 x lbh - runkolaipiot = C 214 x A - runkokannet = C 215 x A - laidoitus = C 216 x L(B+2H) - ylärakenteet = C 221 x V - savupiippu = C 223 x V - konealustat = C 23 x LBH. Painokertoimien C arvot otetaan tilastoista. Sen sijaan tilavuudet V ja pinta-alat A lasketaan projektin yleisjärjestelypiirustuksesta. Vastaavasti muut painoryhmät kuten

9 - 9 - koneisto, varustelu ja sisustus jaetaan pienempiin osiin. Suurten erikoisvarusteiden paino mahdollisesti suoraan. Muista, että jaottelu pysyy samana laivasta toiseen. Alustavan painoarvion ajantarve alle vuorokausi. Painokertoimet Painokertoimien todelliset arvot lasketaan projektilaivan rakennemitoituksen jälkeen. Perustapauksena on jäykistetty levykenttä, jossa levyyn on kiinnitetty kaaret, pitkittäisjäykkääjät ja poikittaiset kehyskaaret, jonka rakenteen neliöpaino eli painokerroin C on C = 8t + 1 ( S GIR S GIR s 1)W FR + 1 S GIR W Web + 1 S WEB W Web [ton/m 2 ] Esimerkki. Laske pitkittäin kaaritetun kannen neliöpaino, katso Kuva 5. Pitkittäiskaarien jakoväli on 700 mm ja metripaino on 11,40 kg/m poikittaiskaarien jakoväli s = 800 mm ja kehyskaariväli S = 2400 mm. Kehyskaaren koko on T- 400x8/100x20, jonka metri paino on 25,12+15,7 = 40,82 kg/m. Pitkittäisjäykkääjän on T-400x6/100x10, jonka metripaino on 18,84+7,85 = 26,69 kg/m. Rakenteen neliöpainoksi saadaan C = 8x ,5 ( 3,5 0,7 1)x11, ,4 40, kg 26,69 =102 3,5 m 2 T-400x6,0/100x10 HP-160x ,0 Kuva 5. Pitkittäin jäykistetty kansi.

10 Laivan kuljetuskoneiston paino Laivan kuljetuskoneiston paino määräytyy pääkonetyypin ja tehon pohjalta. Tietenkin potkuriakselien lukumäärä ja pituus vaikuttavat. Keskinopean dieselmoottorin ominaispaino on luokkaa 4-15 kg/hv ja sen paino W ME voidaan laskea seuraavasta lausekkeesta: W ME = K P/n [ton] (8) jossa P on pääkoneen teho (MCR) hv:ssa lausuttuna ja n pääkoneen pyörimisnopeus kierrosta minuutissa [rpm] sekä vakio K on noin 5 (4 ja 7 välillä). Hitaalle dieselmoottorille, jonka ominaispaino on luokkaa kg/hv, vakio K saa arvon 3.3 (2,5-4.0 välillä). Potkuriakselin paino W PS voidaan arvioida seuraavan lausekkeen avulla: W PS = K l (P/n)2/3 [ton] (9) jossa l on potkuriakselin pituus ja n on potkuriakselin pyörimisnopeus. Potkurin paino W P voidaan laskea seuraavasta lausekkeesta: G P = K D3 [ton], (10) jossa D on potkurin halkaisija ja kerroin K saadaan laskettua seuraavasti: K = 0,18 A E A 0 Z 2 100, (11) jossa A E /A 0 on potkurin pinta-alasuhde ja z on potkurin lapojen lukumäärä. Koko koneiston paino voidaan arvioida päämoottoreiden tehosta [ ] W M = P kw (900 0,025P [ kw ]).

11 Varustelu- ja sisustuspaino osio puuttuu Esimerkki 1 Nopea RoPax Palosen diplomityössä on tarkasteltu nopean RoPax-laivan päämittojen määrittämistä. Tämän esimerkin avulla analysoidaan painoarvioinnin pikamenetelmiä. Laivan päämitat ja muut yleistiedot on annettu Taulukossa 2. Kuvassa 6 on esitetty laivan poikkileikkaus. Taulukko 2. RoPax-laivan päätiedot pituus L OA 125,00 m pituus L PP m leveys B m syväys T 5.30 m sivukorkeus D m Upp.täyt.aste C 0,502 koneteho P B 21,6 MW nopeus 24,0 solmua kantavuus 1560 ton vetoisuus matkustaja määrä 600/300 henk. Kuva 6. Nopean RoPax-laivan poikkileikkaus. Taulukossa 3 on esitetty omapainon koostumus. Aluksen kokonaistilavuus V voidaan laskea Taulukon 2 bruttovetoisuudesta GT seuraavasti:

12 V = 3,1741GT+4362 = m 3. Taulukossa on laskettu omapainon ja sen osatekijöiden suhde kokonaistilavuuteen. Runkopainolle suurehkoissa risteilijässä tilavuuskerrointa on noin 80 kg/m 3, joka on noin puolet omapainon vastaavasta. Vastaavat arvot nopealle pienehkölle RoPax-laivalle ovat 117 kg/m 3 ja 64 kg/m 3 eli teräspaino tilavuuskerroin on noin 54 % omapainon vastaavasta. Päämittojen avulla LBD saadut yksikköpainot on esitetty myös Taulukossa 3. Koneiston paino on verrannollinen pikemmin koneiston tehoon W Q = P B ( P B ) =1690 ton. Taulukko 3. Laivan omapaino ja sen koostumus. Omapainon komponentti Paino [ton] W/V [kg/m 3 ] W/LBD [kg/m 3 ] Runko Koneisto Varustelu Yhteensä Esimerkki RoPax laiva. Laivan päämitat ja muut yleistiedot on annettu Taulukossa 4. Laivassa on kaksi potkuria ja kaksi keskinopeata päämoottoria, jotka on kytketty alennusvaihteiden kautta potkuriakseleihin. Kaarijako 700 mm ja kehyskaarijako 2100 mm. Yleisjärjestely on annettu Kuvassa 7. Taulukossa 5 on esitetty alustava omapainoarvio, jossa painoreservin suuruus on 10 % ja Taulukossa 6 uppouman jakautuma. Taulukko 4. RoPax-laivan päätiedot pituus LWL m leveys B m syväys T 6.00 m sivukorkeus D m koneteho PB 5,5 MW nopeus 17 solmua matkustaja määrä 140 henk.

13 Kuva 7. RoPax-laivan keskilaivan pitkittäisleikkaus Taulukko 5. RO-RO-laivan omapainon ja painopisteiden laskenta ryhmä yksikkö P-kerroin yksikön paino VCG vertik. M HCG hor. M kg/yks. arvo [ton] [m] [m] runko perälaiva LBH 1, , ,4 6,7 202,6 keulalaiva LBH 0, ,19 10,5 254, ,7 pohjarakenne lbh , runkolaipiot LBH 7, , , ,4 laid+kaar L(B+2H) ,64 7,9 4547, ,4 sekalaiset LBH 1, ,408 6,3 323, ,36 runkok. yk. A runkok. 1k A ,5 8,7 2066, ,5 runkok. 2k A ,8 259,2 55, ylärak. 1 sk. V ,6 15,8 2079, ,8 ylärak. ro-rok. V ,2 17, ,4 2 sk V ,6 18,6 2447, ,8 3 sk V ,5 3332, sk V ,2 24,5 2038, ,2 5sk. V , , runko yht ,37 48,32 sisustus konehuone AMW yk:n päällä A sk päällä A , sk päällä A ,5 20,6 2605, ,5 3 sk päällä A ,8 23,4 1867, ,8 4 sk päällä A ,2 1807, sisustus yht ,08 62,37 koneisto pääkoneet KPL , potk, vaih, aks AMW ,8 302, apukoneet AMW ,9 538, koneh. putk AMW , runko. putk LBH 1, ,36 3,2 145, ,5 LVI Sis. A ,86 18,1 1644, ,9

14 kaapelit, sähk. LBH 2, ,648 12,6 1028, ,4 koneisto yht ,56 32,78 varustelu taav. pel.vene KPL , ankkuriv. l(b+h) ,72 7,5 410, ,9 peräportti KPL hissit lastk. kpl ,8 228, muut lbh 9, , , ,9 varustelu yht ,90 45,99 yhteensä ,75 47,40 reservi, 10 % 424 omapaino 4668 omap/lbd 0,154 Taulukko 6. Ro-RO-laivalta vaadittava uppouma. ryhmä G/ton VCG/m vert M HCG/m hor M kantavuus ro-ro lasti polttoaine makeavesi miehistö matkustajat muona yhteensä , , omapaino ,75 47,40 vaadittava Δ ,14 45,08 Yksityiskohtainen painolaskelma suoritetaan kun laivan suunnittelu on edennyt niin pitkälle, että myös painokertoimet C voidaan laskea. Tällöin tarvitaan seuraavat piirustukset ja dokumentit: - yleisjärjestelypiirustus, - rakennepiirustukset, - järjestelmäpiirustukset, - laivan erittely eli sanallinen kuvaus laivasta - laitetoimittajien antamista tarjoukset. Yksityiskohtaisissa painolaskelmissa projektilaivan tekniset ratkaisut otetaan huomioon täysmääräisesti ja siten yksityiskohtaiset laskelmat tuottavat kiloittain paperia. Laskelmien tehollinen ajantarve on noin kaksi viikkoa.

15 Painolaskennan vakioita Meriveden tiheys eri paikoissa - Itämeri 1,01 ton/m3, - valtameri 1,025 ton/m3 - Helsinki 1,0038 ton/m3, katso Merenkulun lainsäädäntö s.960. Öljyjen tiheys kun lämpötila on noin 20 oc - raskaspolttoaine 0,93 ton/m3 - voiteluaine 0,91 ton/m3 - dieselpolttoaine 0,83 ton/m3. Teräksen tiheys keskimäärin 7,8 ton/m3, mutta teräksen valmistustoleranssit huomioon ottaen painolaskennassa käytetään aina arvoa 8,0 ton/m3. Esimerkiksi yhden millimetrin paksuinen teräslevy painaa 8 kg/m2. Käytännön näkökohtia painolaskennasta Painojen ja painopisteiden laskenta muodostaa oleellisen osan laivasuunnittelussa. Mitä karkeampi laivaprojekti sitä yksinkertaisemmat ja tilastoon perustuvat painolaskelmat. Painolaskelmiin kuuluu iteratiivisuus, liian yksityiskohtaiset laskelmat suunnittelun alkuvaiheessa antavat huonon lopputuloksen. Lisäksi painoryhmittely on oltava sama kuin käytetyssä tilastossa. Painolaskuvirheiden välttämiseksi on hyödyllistä suorittaa suuruusluokka-arviointia, vertailua tilastoihin ja kilpailevia laskelmia käyttäen toista riippumatonta menetelmää. Laivasuunnittelija nukkuu yönsä rauhassa vasta uudisrakennuksen kallistuskokeen jälkeen, koska siinä todetaan omapainon suuruus ja sen painopisteen korkeus. UUDISRAKENNUKSEN PAINONHALLINTA Laivan omapainon ja sen painopisteen seuranta ei ole yksittäistoimenpide vaan pitkäjänteinen prosessi. Hyvään painonhallintaan liittyy myös jälkilaskennan avulla tapahtuva jälkiselvitys ja painopankin tiedon kartuttaminen. Laivasuunnittelun perustehtävä on oikea painon ja painopisteen arviointi ja seuranta, ilman tätä kaikki muut laskelmat jäävät epämielekkäiksi. Suomen telakoiden uudisrakennukset vaativat täsmällistä painonhallintaa. Paino- ja hintakysymykset liittyvät läheisesti toisiinsa. Painonarviointivirheiden seuraukset

16 ovat teknisesti ja taloudellisesti usein katastrofaaliset. Painomunausten historia on näyttävä, mutta vähemmän loistokas. Haluatko sinä saada nimesi historiaan? Painomunaukset ovat erityisesti vaarana kun - uusi laivatyyppi ja kokematon suunnittelija, - pieni kantavuus suhteessa uppoumaan, - omapainon koostumus monimutkainen, - epäselvä vastuunjako suunnittelijan ja rakentajan välillä, - riitainen myyntiprosessi kovassa kansainvälisessä kilpailussa, - konkurssin partaalla oleva telakka rakentajana. LAIVAN KANTAVUUTEEN LIITTYVIÄ KÄSITTEITÄ Rajanveto omanpainon ja kantavuuden välillä on eräissä yksityiskohdissa hankalaa, koska jaon on sovittava myös kallistuskokeeseen, joka tapahtuu laivan rakentamisen loppuvaiheessa. Eräs jakomalli omapainon ja kantavuuden välillä: - omapainoon lasketaan rakenteiden ja laitteiden lisäksi myös - kaikki varaosat ja inventaarit - likavesitankkien kapasiteetistä puolet - kiertovoiteluöljytankkien kapasiteetistä 70 % - erilaisten pikkutankkien kapasiteetit täysmääräisinä - pohjakaivojen tilavuutta vastaava paino laivan määrittely syväydellä - kiinteä painolasti - kantavuuteen lastin lisäksi kuuluvat - polttoaine ja varastovoiteluöljy - painolasti- ja makeavesi - uima-altaan vesi - muonavarastot Seuraavassa on määritelty laivasopimukseen liittyviä kantavuuskäsitteitä: - sopimuskantavuus: laivasopimuksessa mainittu kantavuusvaatimus (DWT) - kantavuuden sakkoraja: kantavuuden arvo, jonka alittamisesta joudutaan maksamaan sakkoa tilaajalle (mk/ton), - kantavuuden hylkäysraja: kantavuuden arvo, jonka alituksen jälkeen tilaajan ei tarvitse ottaa laivaa vastaan - juridinen kantavuus: kantavuuden arvo, jossa on otettu huomioon tilaajan aiheuttamat painonmuutokset lisättynä painolastivarauksella. Tällä kompensoidaan painon lisäyksen aiheuttama omapainon painopisteen nousu eli säilytetään laivan poikittainen vakavuus ennallaan.

17 Kuva 8. Painolastivarauksella säilytetään laivan painopisteen korkeus KG ennallaan kun laivaan tuodaan lisäpaino. OMAPAINON JA PAINOPISTEEN RESERVI Laivan omapainon ja siihen liittyvän painopisteen laskelmat laaditaan suunnitteluvaiheessa, jolloin laivan päämitat ja rungonmuoto lyödään lukkoon. Laivan rakentamisvaihe kasvattaa omapainoa ja sen painopisteen korkeutta. Telakka varautuu omapainon W LS ja painopisteen korkeuden KG muutoksiin, jotka johtuvat telakan aiheuttamista konstruktiomuutoksista ja painolaskennan epätarkkuudesta, lisäämällä laskettuun omapainoon W LS tietyn suuruinen reservipainon Wres, jolloin painoyhtälö saa seuraavan muodon: Δ = (W LS + W res ) + W DW. Vastaavasti reservi varataan painopisteen korkeuteen KG GM = KM (KG + KG res )

18 Omapainon ja painopisteenkorkeuden reservin käytön syyt ovat moninaiset. Painokalkyyli sisältää epätarkkuuksia, painokomponentteja voi puuttua tai niiden kertoimet ovat väärät. Laivan yleisjärjestelyn suunnittelussa telakka voi joutua tekemään ratkaisuja, jotka lisäävät laivan painoa. Viranomaisvaatimusten tulkinta voi muuttua, josta seuraa painonlisäys. Laivan hydrostatiikasta johtuvat, kuten muotovirheet laivan rungon geometriassa ja käyrälehden arvoissa olevat epätarkkuudet. Telakka voi myös suorittaa valmistusmenetelmän tai käytettävän materiaalin muutoksia, josta on seurauksena omapainon muutoksia. Reservin suuruuteen vaikuttaa laivan kantavuuden ja uppoaman välinen suhde, esimerkiksi GTS Finnjet-laivalla kyseisen luvun arvo on Mitä pienempi suhdeluvun arvo sitä painokriittisempi laiva on. Normandin luku kuvaa samaa asiaa. Esimerkiksi, jos laivan kyseinen suhdeluku on 0.2, niin 10 % omapainon ylitys syö 40 % kantavuudesta ja lopputulos on painokatastrofi. Reservin suuruuteen vaikuttaa myös omapainon koostumus. Sen sisältäessä runsaasti pieniä painopositioita on painon hallinta työlästä. Esimerkiksi matkustajalaivan sisustusvarustelun painon määrittäminen muodostuu helposti ongelmaksi. Laivan rakennustapa, standardisoinnin, esim. moduulitekniikan avulla saadaan painotiedon hallinta paremmaksi. Laivan uutuusaste eli telakan kokemus kyseessä olevasta laivatyypistä vaikuttaa reservin suuruuteen. Jos telakalla ei ole laivatyypistä rakentamis-kokemusta on reserviä kasvattamalla varauduttava puutteelliseen painotietämykseen. Toisena mahdollisuutena on tyytyä lisenssirakentamiseen, jolloin vastuu on lisenssinantajan. Telakan aikaisempi kokemus varustamosta on myös oleellinen tekijä. Esimerkiksi venäläisille varustamoille toimitettavissa laivoissa tulee varautua painolisäyksiin reserviä kasvattamalla. Reserviä kulutetaan suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa. Painon ja painopisteen tarkistuksen ajankohtia ovat ainakin sopimus, vesillelasku ja luovutus. iso tankkeri omapaino/uppouma 0 50 % 100 % ro-ro alus risteilylaiva Kuva 9. Omapainon ja uppouman suhde eri laivoille.

19 Omapainon reservin ohjearvoja Reservin suuruus ilmaistaan prosentteina omapainosta ja kohdistetaan koko laivan omapainoon, ei sen osille. Painopisteen korkeuden reservi annetaan pituusmittana metreissä. Reserviä kulutetaan laivan valmistuksen aikana ja tavoitteena on, että laivan luovutushetkellä painon reservin suuruus on 0 % ja painopisteen korkeuden reservin arvo on 0,1 m. Tämän jäännösreservin tarve johtuu GM-arvon määrittämisen vaikeudesta todellisessa käyttötilanteessa. Reservin suuruus riippuu W DW /Δ suhteesta. Seuraavat arvot ovat käyttökelpoisia proto-tyyppilaivalle, jonka kyseinen suhde on 0,2-0,3: - alustavat painolaskelmat, jotka perustuvat kyseisen laivan suunnitelmista laskettuihin painokertoimiin, omapainon 15 %, painopisteen KG reservi 1 m, - linjojen lukkoon lyönnin ajankohtana, 10 %, pp reservi 0,8 m - kuusi kuukautta ennen luovutusta 3 %, pp reservi 0,6 m. Jos telakalla on käytettävissä prototyyppilaivan kallistuskokeen tulokset, niin serkulle voidaan käyttää pienempiä reservin arvoja, kuitenkin pitäen mielessä, että laivasysteemien painot yleensä kasvavat ajan myötä: alustavat painolaskelmat: 8 % ja 0,5 m, linjat kiinni: 6 % ja 0,40 m ja 6 kk ennen luovutusta 3 % ja 0,30 m. Scantling-reservi Telakan painolaskennan virheet näkyvät laivan syväyden kasvuna. Scantling-reservi on telakan hätävara kantavuuden sakkorajan suhteen. Scantling-reservi, jonka suuruus on noin 0.2 m, lisätään suunnittelusyväykseen T KVV, jolloin saadaan aluksen suurin sallittu syväys T MAX määriteltyä. Kyseistä syväyttä käytetään varalaidan ja runkorakenteen mitoituksessa sekä kantavuuden sakkorajan määrittämisessä. Sen sijaan suunnittelsyväyttä T KVV käytetään suoritusarvojen, esimerkiksi sopimuskantavuuden ja vastuksen laskennassa. Δ T varalaita F T kvv T max Kuva 10. Scantling-reservi syväyksessä.

20 LAIVAN OMAPAINON JA PAINOPISTEEN SEURANTA Tosiasiana on, että laivan omapaino ja painopisteen korkeus kasvavat suunnittelun ja rakentamisen aikana. Reservi on telakan varautumista omiin muutoksiin. Laivaprojektin projektipäällikön tehtävänä on tilaajaan päin ylläpitää kirjaa tilaajan aiheuttamista muutoksista. Uudisrakennuksen omapainon ja painopisteen korkeuden kehitystä on seurattava. Myös on tapauksia, jossa laivan yleisjärjestely on epäsymmetrinen keskitason suhteen, jolloin on ryhdyttävä toimenpiteisiin, että painopiste saadaan palautettua laivan keskitasolle. Painon ja painopisteen tarkistuspisteet ovat: laivasopimus, linjojen lukkoon lyönti, välitarkastuksia tarpeen mukaan ja kallistuskoe sekä tietenkin jälkikalkyyli. Kuvassa 11 on esitetty erään laivan omapainon, vaakasuuntaisen ja pystysuuntaisen painopisteen todellinen kehitys ja edeltäkäsin laadittu ennuste. Kuvasta voidaan havaita, että linjojen tasoituksessa on laivan uppouma pienentynyt ja omapainon on valmistuksen loppuvaiheessa ylittänyt erittelyarvon, jolloin tilaajan kanssa pidetty ± lista on osoittautunut tarpeelliseksi. W [ton] LS linjojen tatsoitus ± lista hylkyraja sakkoraja juridinen erittelyarvo ohjearvo LCG [m] max optimi min KG [m] linjojentasoitus lopulliset vakavuuslaskelmat painolastivaraus erittelyarvo ohjearvo laivasopimus Kuva 11. Uudisrakennuksen omapainon ja painopisteen kehitys laivasopimuksen jälkeen.

21 Laivan tilaajan aiheuttamien, sopimuserittelyyn perustumattomien omapainon muutosten hallinta (± lista) on oleellinen osa uudisrakennuksen projektipäällikön työtehtävistä. Tilaajamuutosten ryhmään luetaan uudisrakennuksen sopimuserittelyn ulkopuolelta tulevat painonmuutokset. Nämä otetaan huomioon siten, että varsinaisen painon lisäksi sopimushetken kantavuudesta vähennetään painolastivaraus, jolloin saadaan niin sanottu laivan juridinen kantavuus. Painolastivarauksella huolehditaan omapainon painopisteen korkeuden säilyminen ennallaan. Kantavuuden pieneneminen johtaa varustamon ansaintakyvyn alenemiseen. Painolastivarauksen toteutuminen eli realisointi riippuu lopulta kallistuskokeen tuloksesta. Kuvassa 12 on esitetty laivan uppouman jakautuma sopimushetkellä ja rakentamisvaiheen tilanne. Merkille pantavaa on, että reservi on tarkoitettu käytettäväksi telakan itsensä aiheuttamiin muutoksiin. paino uppouma KVV:llä sopimushetken kantavuus telakan omapainon reservi juridinen kantavuus tilaajan aiheuttamat omapainon muutokset ja niiden painolastivaraukset jäljellä oleva omapainon reservi telakan omapainon muutokset laskettu laivan omapaino sopimushetkellä sopimushetki rakentamisajan tilanne aika Kuva 12. Laivan omapainon muuttuminen valmistuksen aikana ja sen vaikutus kantavuuteen. ESIMERKKEJÄ PAINOMUNAUKSISTA Sotalaiva Vasa upposi vuonna 1628 purjehdittuaan heikossa tuulessa 1300 m Tukholman Skeppsbronin saarelta, jolloin 50 merimiestä hukkui. Laivalle oli tehty kallistuskoe juoksuttamalla miehistöä laivan laidalta toiselle. Kolmannen kierroksen jälkeen se oli lopetettava, koska alus olisi kaatunut. Asian korjaamiseksi ei voitu tehdä mitään, koska painolastia oli jo täysi määrä. Kuningas Kustaa II Adolf oli vaatinut suuren tykkimäärän,

22 josta johtuen laivan painopiste oli liian ylhäällä ja lisäksi alimman tykkikannen luukkujen varalaita oli liian pieni. Ehjän laivan vakavuusteoriaa ei ollut olemassa. Hollantilaisen laivanrakentajamestari Henrik Hybertsson illa oli käytössään kokemukseen perustuva numerotaulukko laivan päämitoista. Ranskalainen laivatekniikan isä Pierre Bouguer julkaisi vasta vuonna 1746 ehjän laivan poikittaisen vakavuusteorian Traite du Navire -nimisessä teoksessa. Onnettomuudesta saatu oppi on se, että luonto on voimakkaampi kuin kuningas. "Tykkikannen luukkujen liian pieni varalaita"-tyyppisiä painomunauksia on ollut myös myöhemmin, esimerkiksi taistelulaiva Columbus vuonna Kuva 13. Piirros Vasa laivan kaatumisesta. Casco- luokka (uppouma 1175 tons) rakennettiin vuonna 1863 Yhdysvaltain sisällissodan aikana. Alustyypille oli ominaista pieni varalaita ja syväys. Aluksia rakennettiin 20 kappaletta Painokontrolli petti ja tuloksena oli, että vesillelaskun jälkeen varalaita oli jo syöty vaikka varustelu puuttui. Painomunauksen johdosta toimenpiteenä oli, että aluksista 10 kpl muutettiin miinanraivaajiksi ja loppuihin lisättiin varalaitaa, mutta ne kärsivät suuresta syväyksestä. Puritan-luokka, (uppouma 4912 tons) vuonna 1877 painontarkastus osoitti, että alus olisi uponnut, jos se olisi laskettu vesille. Toimenpiteenä oli panssaroinnin poistaminen Kuva 14. Casco ja Puritan-luokan tykkiveneet.

23 Tapaus HMS Captain vuonna luvulla Englannin laivastossa tapahtui voimakasta tyyppikehitystä. Captain Coles sai parlamentin päättämään, että hänen ehdottomansa alustyyppi hyväksyttäisiin vastoin Amiraliteetin tahtoa. Sen valitsemaa asennetta uudisrakennusta kohtaan voidaan kuvata seuraavasti antaa hänen näyttää mihin pystyy. Amiraliteetti jätti uudisrakennuksen valvonnan Colesille. Laird-nimisen telakan ollessa rakentajana. Telakka raportoi ylipainosta, jonka seurauksena menetettiin kaksi jalkaa varalaitaa. Painon ylitys oli 12.3 %. Telakka laski, että vakavuuslajuus oli 1/3 siitä mitä laivaston vertailualuksissa oli yleensä. Toimenpiteet olivat seuraavat: tehtiin virallinen kallistuskoe pantiin paperit kasaan odottamaan käsittelyä lähetettiin laiva merelle laiva kaatui, 472 miestä hukkui. Oikeudessa oli sitten aikaa analysoida kallistuskokeen tulosta! Onnettomuuden sosiotekninen syy: riitaisa hankintavaihe ja edesvastuuton byrokratia. Kuva 15. HMS Captain Tapaus USS Andersson vuonna 1939, jolloin sota oli alkamassa. Tilattiin yhteensä 108 kpl saattajaa. Suunnittelutoimiston ja telakan ylipainohälytyksiä vähäteltiin ja seurauksena oli ylipaino ja painopisteen korkeuden nousu, josta johtuen: - poistettiin - 4 kpl torpedoputkea - 1 kpl 5 tykistötorni - varageneraattori - lisättiin 60 tonnia kiintopainolastia kaksoispohjaan.

24 Sodassa menetettiin useita tämän luokan aluksia heikon vuotovakavuuden ja varageneraattorin puuttumisen takia. Seurauksena organisaatiomuutoksia USA:n laivastossa. Mitä opittiin: - jos sarjalaiva, niin pitäisi ensin valmistaa prototyyppi. Menettely ei kiinnosta päättäjiä - jaettu vastuu useiden laivaston osastojen välillä on tuhoisaa painovalvonnalle. Kuva 16. USS Andersson. Hunt-luokan saattaja, vuonna 1940 Englannissa oli kova laivantarve. 50 kpl vanhaa USA:lta saatua hävittäjää riitti vain pariksi kuukaudeksi Atlantin saattuetoiminnassa. Englannissa ryhdyttiin kiireisesti rakentamaan yksinkertaisia saattajia joka rantakylässä. Aikaa oli tuskin tehdä kallistuskoe ensimmäiselle alukselle, mutta tämän jälkeen koko sarjan rakentaminen pysäytettiin. Sarjassa oli 86 laivaa, joista 23 laivasta toinen tykkitorni ja torpedot pois 61 laivaa levennettiin 2 6 vain 4 laivaa konstruoitiin uudestaan. Mitä opittiin: - sellaista hätätilaa ei ole, ettei olisi pakko suorittaa painoseurantaa - mitä pitempi sarja sitä tärkeämpää on hoitaa prototyypin painoasiat kunnolla. Kuva 17. Hunt-luokan saattaja.